閉環(huán)地源熱泵系統(tǒng)模型與仿真

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1、閉環(huán)地源熱泵系統(tǒng)模型與仿真山東建筑工程學(xué)院曲云霞方肇洪張林華西安建筑科技大學(xué)李安桂摘要：地源熱泵系統(tǒng)的特性主要由兩部分決定：一是地?zé)釗Q熱器的長(zhǎng)度和配置，二是與之相匹配的熱泵機(jī)組的性能，因此建立地?zé)釗Q熱器和熱泵機(jī)組的耦合傳熱模型是進(jìn)行地源熱泵系統(tǒng)性能研究的重點(diǎn)。由于地?zé)釗Q熱器所涉及的傳熱過(guò)程的復(fù)雜性，地?zé)釗Q熱器的傳熱模型仍是國(guó)內(nèi)外閉環(huán)地源熱泵系統(tǒng)研究工作的重點(diǎn)。作者近年來(lái)在地?zé)釗Q熱器傳熱模型方面進(jìn)行了一些有創(chuàng)新性的研究：提出了分析豎直埋管地?zé)釗Q熱器鉆孔內(nèi)的傳熱過(guò)程的準(zhǔn)三維模型;另外，采用順序模塊法建立

2、了熱泵機(jī)組的數(shù)學(xué)模型;通過(guò)能量平衡關(guān)系式，建立了地源熱泵系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型。利用系統(tǒng)模型可以模擬在不同地?zé)釗Q熱器長(zhǎng)度及配置情況下，系統(tǒng)能耗、制冷量性能系數(shù)等。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)比較吻合，預(yù)測(cè)水溫與實(shí)測(cè)結(jié)果最大相對(duì)誤差不超過(guò)5%，制冷量或制熱量最大誤差不超過(guò)10%。關(guān)鍵詞：地源熱泵準(zhǔn)三維模型仿真1．前言由于地源熱泵地下?lián)Q熱的影響因素多、設(shè)計(jì)難度大，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不足，某些參數(shù)的選擇不當(dāng)會(huì)造成工程造價(jià)難以接受，限制了該項(xiàng)技術(shù)，所以直到上個(gè)世紀(jì)80年代后期才在商業(yè)、民用建筑的空調(diào)系統(tǒng)中采用。

3、最近幾年，大量報(bào)道反映了國(guó)外進(jìn)行的工作和取得的成果[1]。由于它的環(huán)保和節(jié)能特點(diǎn)，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)正在受到越來(lái)越多的關(guān)注，特別是近幾年，國(guó)內(nèi)開(kāi)始有了地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際工程。因此，地源熱泵的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)、及其與傳統(tǒng)建筑系統(tǒng)匹配的資料很少，對(duì)地源熱泵工程實(shí)例的調(diào)研和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)是國(guó)際上地源熱泵研究的一個(gè)重要方面。在地源熱泵系統(tǒng)中，地?zé)釗Q熱器的研究一直是地源熱泵技術(shù)的難點(diǎn)，同時(shí)也是也是該項(xiàng)技術(shù)研究的核心和應(yīng)用的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)方法大都基于美國(guó)和歐洲對(duì)地?zé)釗Q熱器的試驗(yàn)研究。國(guó)內(nèi)有關(guān)地源熱泵的研究

4、重點(diǎn)均放在地?zé)釗Q熱器的試驗(yàn)研究上，也分別給出了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于缺乏對(duì)換熱器在土壤中復(fù)雜的傳熱機(jī)理的深入研究，使得所得結(jié)論只適用于某一具體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，理論性較差，提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)又較少，因而難于指導(dǎo)實(shí)際的工程設(shè)計(jì)。因此，目前研究的內(nèi)容之一是建立更接近于實(shí)際情況的地?zé)釗Q熱器傳熱模型。眾所周知，地源熱泵系統(tǒng)的特性主要由兩部分決定：一是地?zé)釗Q熱器的長(zhǎng)度和配置，二是與之相匹配的熱泵機(jī)組的性能。因此在地?zé)釗Q熱器配置已定的情況下，地源熱泵系統(tǒng)的性能如何是目前工程中最關(guān)心的問(wèn)題。所以本文的另一個(gè)研究?jī)?nèi)容是建立地?zé)釗Q

5、熱器與熱泵機(jī)組的動(dòng)態(tài)模型，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。2.地?zé)釗Q熱器模型綜述根據(jù)布置形式的不同，閉環(huán)地?zé)釗Q熱器可分為水平埋管與豎直埋管換熱器兩大類。豎直埋管地?zé)釗Q熱器也就是在若干豎直鉆孔中設(shè)置地下埋管的地?zé)釗Q熱器，通常采用U型埋5圖1豎直單U型管地?zé)釗Q熱器示意圖管的形式。U型埋管地?zé)釗Q熱器也就是一個(gè)鉆孔中布置U型管，再加上回填材料，與周圍土壤構(gòu)成一個(gè)整體。一個(gè)鉆孔中可以設(shè)置單組U型管，也可以設(shè)置兩組U型管。豎直埋管占地面積小，傳熱效率高，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用，本文主要以工程中應(yīng)用最廣的單U型管為

6、例，詳見(jiàn)圖1。由于地?zé)釗Q熱器所涉及的傳熱過(guò)程的復(fù)雜性，地?zé)釗Q熱器的傳熱模型仍是國(guó)內(nèi)外閉環(huán)地源熱泵系統(tǒng)研究工作的重點(diǎn)。有關(guān)地?zé)釗Q熱器的傳熱，迄今為止還沒(méi)有普遍公認(rèn)的模型和規(guī)范。國(guó)際上現(xiàn)有的傳熱模型大體上可分為兩大類。第一類是以熱阻概念為基礎(chǔ)的解析解模型，第二類方法以離散化數(shù)值計(jì)算為基礎(chǔ)的數(shù)值解模型。第一類模型采用Kelvin的線熱源模型或無(wú)限長(zhǎng)圓柱模型[2]。這類半經(jīng)驗(yàn)方法概念簡(jiǎn)單明了，容易為工程技術(shù)人員接受，因此在工程中得到一定的應(yīng)用。其缺點(diǎn)是各熱阻項(xiàng)的計(jì)算做了大量簡(jiǎn)化假定[3]，模型過(guò)于簡(jiǎn)單，能夠

7、考慮的因素有限，特別是難于考慮冷、熱負(fù)荷隨時(shí)間的變化、全年中冷熱負(fù)荷的轉(zhuǎn)換和不平衡等較復(fù)雜的因素。第二類方法以離散化數(shù)值計(jì)算為基礎(chǔ)的傳熱模型，可以考慮接近現(xiàn)實(shí)的情況，采用有限元或有限差分法求解地下的溫度響應(yīng)并進(jìn)行傳熱分析。但是由于地?zé)釗Q熱器傳熱問(wèn)題涉及的空間范圍大、幾何配置復(fù)雜，同時(shí)負(fù)荷隨時(shí)間變化，時(shí)間跨度長(zhǎng)達(dá)十年以上，因此若用這種分析方法按三維非穩(wěn)態(tài)問(wèn)題求解實(shí)際工程問(wèn)題將耗費(fèi)大量的計(jì)算機(jī)時(shí)間，在當(dāng)前的計(jì)算條件下直接求解工程問(wèn)題幾乎是不可能的。這種方法在目前還只適合于在一定的簡(jiǎn)化條件下進(jìn)行研究工作中

8、的參數(shù)分析，而不適合于做大型的多鉆孔的地?zé)釗Q熱器的傳熱模擬，更不適合用作工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化。3.豎直單U型管地?zé)釗Q熱器模型的建立3.1鉆孔內(nèi)準(zhǔn)三維模型的建立在研究地源熱泵系統(tǒng)性能時(shí)，由于時(shí)間跨度比較小，因此鉆孔內(nèi)回填材料熱物性、鉆孔幾何尺寸等都對(duì)地源熱泵系統(tǒng)的性能有重要影響。以往的一維模型和二維模型中，由于對(duì)鉆孔內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，即將兩根U型管簡(jiǎn)化為一根，并假定U型管內(nèi)流體溫度為定值，無(wú)法得到鉆孔內(nèi)流體溫度隨鉆孔深度的變化以及兩根U型管之間引起的熱短路情況。因此模型與實(shí)際